NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Mở đầu
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô hạn, được tạo ra từ bức xạ mặt trời, bao gồm sức nóng và ánh sáng Bức xạ này không chỉ chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ mà còn là nguyên nhân chính cho mọi quá trình tự nhiên trên trái đất Mặc dù năng lượng mặt trời rất dồi dào, việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua.
Năng lượng mặt trời được chia thành hai loại chính: nhiệt năng và quang năng Tế bào quang điện (PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển đổi năng lượng quang học thành điện, có thể lưu trữ vào pin hoặc ắc quy Tấm pin mặt trời hiện đang được sử dụng rộng rãi nhờ vào khả năng chuyển đổi dễ dàng và lắp đặt thuận tiện trên các công trình Chúng cung cấp nguồn năng lượng sạch, tái tạo, làm nguồn bổ sung cho hệ thống điện chính, đặc biệt tại những khu vực hẻo lánh, nông thôn hay trong các tình huống khẩn cấp Tuy nhiên, chi phí của pin mặt trời vẫn còn cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng chỉ đạt 13-15% Ngược lại, năng lượng nhiệt từ mặt trời có hiệu suất chuyển đổi cao gấp 4-5 lần so với quang điện, dẫn đến giá thành sản xuất năng lượng thấp hơn đáng kể.
Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà một cách thụ động thông qua vật liệu và thiết kế kiến trúc, hoặc trực tiếp để đun nóng nước phục vụ sinh hoạt Ở nhiều khu vực trên thế giới, bình nước nóng năng lượng mặt trời đang trở thành một giải pháp quan trọng và hiệu quả thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông thường sử dụng điện hoặc gas.
Giới thiệu về pin năng lƣợng mặt trời
1.2.1 Pin năng lượng mặt trời là gì? Làm sao có thể tạo ra điện
Pin mặt trời được cấu tạo từ các chất bán dẫn, chủ yếu là Silicon Các lớp bán dẫn này bao gồm lớp p-conducting với điện tích dương thừa và lớp n-conducting với điện tích dương thiếu Khi kẹp hai lớp này lại, electron từ lớp n sẽ di chuyển về phía lớp p để chiếm các lỗ Sự di chuyển này tạo ra một điện trường tại biên giới n-p, đẩy electron và lỗ ra xa nhau, dẫn đến việc ngăn cách giữa chúng Kết quả là electron từ lớp n không thể vượt qua lớp p để chiếm lỗ nữa.
Khi kết nối lớp n và lớp p, electron từ lớp n có thể nhảy sang lớp p nhờ năng lượng từ các photon dưới ánh nắng mặt trời Các photon này cung cấp năng lượng cần thiết để electron thoát khỏi nguyên tử, trở thành electron tự do Từ lớp n, chúng di chuyển qua dây dẫn sang lớp p, nơi gặp các lỗ và tạo thành dòng điện Quá trình này liên tục diễn ra khi có ánh nắng mặt trời, cung cấp nguồn điện ổn định cho chúng ta.
Hình 1.1: Cấu tạo bên trong của các lớp pin năng lƣợng mặt trời
1.2.2 Hiệu suất pin năng lượng mặt trời
Hiệu suất biến đổi năng lượng của pin mặt trời là tỷ lệ giữa lượng điện năng sản xuất và lượng năng lượng nhận được từ ánh sáng mặt trời Hiệu suất càng cao, pin mặt trời sẽ sản xuất nhiều năng lượng hơn Cấu tạo của pin mặt trời ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất biến đổi này.
Bảng 1.1 Bảng thống kê hiệu suất pin năng lƣợng mặt trời
Tiềm năng vô tận của năng lƣợng mặt trời
Việt Nam có vị trí địa lý thuận lợi, mang lại nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, đặc biệt là năng lượng mặt trời Nằm trong khu vực từ vĩ độ 23°23’ Bắc đến 8°27’ Bắc, đất nước này có cường độ bức xạ mặt trời cao Thành phố Hồ Chí Minh là khu vực có lượng bức xạ cao nhất, tiếp theo là các tỉnh Tây Bắc như Lai Châu, Sơn La, Lào Cai và các tỉnh Bắc Trung Bộ như Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh.
Năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích như tính sạch sẽ, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, cùng với độ an toàn cao cho người sử dụng Sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời không chỉ giúp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch mà còn giảm thiểu khí thải nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường Do đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng quý giá, có khả năng thay thế những nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt Trên thế giới, năng lượng mặt trời đã được áp dụng rộng rãi như một giải pháp bền vững cho các vấn đề năng lượng hiện nay.
Tại Đan Mạch, vào năm 2000, hơn 30% hộ gia đình đã sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời để làm nóng nước Ở Brazil, đặc biệt là những vùng xa xôi như Amazon, năng lượng mặt trời luôn giữ vị trí hàng đầu trong việc cung cấp điện Tại Đông Nam Á, Philippines cũng đã sử dụng điện mặt trời để đáp ứng nhu cầu sinh hoạt cho 400.000 người dân.
Bảng 1.2 Giá trị trung bình cường độ bức xạ MT ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam [1]
1.4 Những ƣu điểm của năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời có những ƣu điểm nhƣ:
Năng lượng mặt trời được coi là nguồn năng lượng quý giá, giúp thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, đồng thời giảm phát khí thải nhà kính và bảo vệ môi trường Với chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, năng lượng này an toàn cho người sử dụng Nhiều quốc gia đã áp dụng năng lượng mặt trời như một giải pháp hiệu quả; ví dụ, tại Đan Mạch, hơn 30% hộ dân đã sử dụng tấm thu năng lượng mặt trời để làm nóng nước từ năm 2000 Ở Brazil, năng lượng mặt trời là nguồn điện chủ yếu tại những vùng xa xôi như Amazon, trong khi tại Đông Nam Á, Philippines đã cung cấp điện mặt trời cho nhu cầu sinh hoạt của 400.000 dân.
1.5 Những ứng dụng năng lƣợng mặt trời của Việt Nam
Tại Việt Nam, việc phát triển điện mặt trời được các nhà khoa học đánh giá cao vì nó sẽ thúc đẩy nhanh chóng chương trình điện khí hóa nông thôn Mục tiêu là đến năm 2020, 100% hộ dân ở nông thôn, miền núi và hải đảo sẽ được cung cấp điện.
Từ những năm 1990, khi nhiều thôn xóm ngoại thành chưa có lưới điện quốc gia, phân viện vật lý TP Hồ Chí Minh đã triển khai các sản phẩm điện mặt trời Ở một số huyện như Bình Chánh, Cần Giờ, và Củ Chi, điện mặt trời đã được sử dụng rộng rãi trong các nhà văn hóa và bệnh viện Đặc biệt, dự án điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ, cung cấp điện cho 50% số hộ dân sống trên đảo.
Vào năm 1995, hơn 180 hộ dân và một số công trình công cộng tại buôn Chăm, xã Eahsol, huyện Eahleo, tỉnh Đắk Lắk đã bắt đầu sử dụng điện mặt trời Gần đây, dự án phát điện kết hợp giữa pin mặt trời và thủy điện nhỏ với công suất 125 kW đã được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai Đồng thời, một dự án phát điện lai giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW cũng đã được triển khai tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện, nhằm cung cấp điện cho khu vực đồng bào dân tộc thiểu số.
Dự án thành công đã dẫn đến việc Viện Năng lượng (EVN) và Trung tâm Năng lượng mới (Đại học Bách khoa Hà Nội) tiếp tục triển khai ứng dụng giàn pin mặt trời Mục tiêu là cung cấp điện cho một số hộ gia đình và các trạm biên phòng trên đảo Cô.
Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” được thực hiện tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn, đã hoàn thành vào tháng 11 năm 2002 Tô (Quảng Ninh) là một trong những địa phương tham gia vào dự án này, nhằm mang lại nguồn điện sạch và bền vững cho các khu vực khó khăn.
Năng lượng mặt trời không chỉ được sử dụng để chiếu sáng mà còn có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực nhiệt và đun nấu Từ năm 2000 đến 2005, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới (Đại học Đà Nẵng) đã hợp tác với tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời để triển khai Dự án "Bếp năng lượng mặt trời" cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2, phường Hòa Quý, quận Ngũ Hành Sơn, Đà Nẵng Ngoài ra, trung tâm cũng nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng, và các sản phẩm này đã được áp dụng tại nhiều tỉnh như Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa và Sơn La.
1.6 Những ví dụ cụ thể về hệ thống năng lượng mặt trời, các hệ thống lưới điện mặt trời
1.6.1 Giới thiệu : Là hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ đầu tiên tại TP Hải
Phòng đƣợc lắp đặt tại Biệt Thự Gia đình Bác Sửu, Núi Đèo, Thủy Nguyên Hải phòng
Hiện nay, việc sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm đang thu hút sự quan tâm lớn từ xã hội Gia đình Bác Sửu đã chú trọng đến yếu tố này ngay từ khâu thiết kế, yêu cầu các kiến trúc sư tạo ra một ngôi nhà hài hòa với thiên nhiên, đồng thời lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời để tối ưu hóa nguồn năng lượng tái tạo.
Tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên và gió trời
Sử dụng vật liệu TKNL nhƣ gạch không nung, kính cách nhiệt
Gia đình Bác Sửu đã lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới và máy nước nóng năng lượng mặt trời với sự tư vấn của các kỹ sư Công ty SYSTECH Eco Việc này giúp tận dụng bức xạ mặt trời để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng và nước nóng trong gia đình, đồng thời hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn điện không ổn định hiện nay.
Bảng 1.3: Thông số kĩ thuật của hệ thống nối lưới có dự trữ 3060w:
STT Thiết bị Đơn vị Số lƣợng
1 Tấm pin mặt trời 170W Tấm 18
3 Bộ Solar controllar charger Bộ 3
4 Bộ Inverter 5KVA 48VDC/220VAC Bộ 1
6 Ac quy kín khí 180Ah/12V Cái 8
1.6.1.1 Một số hình ảnh lắp đặt hệ thống dàn pin mặt trời
Hình 1.3: Toàn cảnh Biệt thự gia đình Bác Sửu chƣa lắp đặt hệ thống pin mặt trời và máy nước nóng NLMT
Hình 1.4: Khung dàn tấm pin đƣợc hàn cố định trên mái
Hình 1.5: Lắp đặt dàn pin số 1
Hình 1.6: Lắp đặt dàn pin số 2
Hình 1.7: Lắp đặt dàn pin số 3
Hình 1.8: Hoàn thành lắp đặt 3 dàn pin mặt trời
1.6.1.2 Cây cầu ứng dụng năng lượng mặt trời lớn nhất toàn cầu
Chính phủ Anh đã khởi công xây dựng cầu năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, dự kiến cung cấp khoảng 900.000 kWh mỗi năm.
Có khoảng hơn 6.000m2 tấm panô quang điện sẽ đƣợc lắp đặt trên cây cầu bắc qua sông Thames
Mạng lưới đường ray dự kiến sử dụng 50% năng lượng từ năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, giúp cắt giảm khoảng 511 tấn khí thải CO2 mỗi năm Tổng kinh phí xây dựng dự án này khoảng 7,3 triệu bảng Anh.
Hình 1.9: Các công nhân đang lắp ráp các tấm pin mặt trời lên giá đỡ
Hình 1.10: Cây cầu sau khi đã lặp đặt hệ thống các tấm pin năng lƣợng mặt trời
Hình 1.11: Các tấm pin đã đƣợc lắp ráp
Bảng 1.4: Bảng đặc tính của cây cầu
Maximum Power Voltage(Vmp) 17.1 Volt
Maximum Power Current(Imp) 3.22 Ampere
Open circuit Voltage(Voc) 21.0 Volt
Short circuit Current(lsc) 3.76 Ampere
Nominal operating cell temperature (NOCT) 47℃±2℃ ℃
Length(mm) 715mm Width(mm) 680mm Depth(mm) 40mm
Installation Dimensions Length(mm) 643mm
Frame structure(Material,Comers) Aluminium
Junction Box made in china
Bảng 1.6: Bảng tiêu chuẩn kiểm tra điều kiện ánh sáng
Bảng 1.7: Các thông số cơ bản về cây cầu
Dielectric Isolation Voltage 1000 VDC max 1000V
Maximum Wind Resistance 60m/s N/m2 or max Km/h
Maximum Hail diameter @80Km/h 25mm@80km/h
Những ứng dụng năng lƣợng mặt trời của Việt Nam
Tại Việt Nam, các nhà khoa học cho rằng việc phát triển điện mặt trời một cách hiệu quả sẽ thúc đẩy nhanh chóng chương trình điện khí hóa nông thôn, với mục tiêu cung cấp điện cho 100% hộ dân tại các khu vực nông thôn, miền núi và hải đảo vào năm 2020.
Từ những năm 1990, khi nhiều khu vực ngoại thành chưa có lưới điện quốc gia, phân viện vật lý TP Hồ Chí Minh đã bắt đầu triển khai các sản phẩm điện mặt trời Ở một số huyện như Bình Chánh, Cần Giờ và Củ Chi, điện mặt trời đã được áp dụng rộng rãi tại các nhà văn hóa và bệnh viện Đặc biệt, công trình điện mặt trời trên đảo Thiềng Liềng, xã Cán Gáo, huyện Cần Giờ, cung cấp điện cho 50% hộ dân sống trên đảo.
Vào năm 1995, hơn 180 hộ dân và nhiều công trình công cộng tại buôn Chăm, xã Eahsol, huyện Eahleo, tỉnh Đắk Lắk đã được cung cấp điện từ năng lượng mặt trời Gần đây, dự án phát điện kết hợp giữa pin mặt trời và thủy điện nhỏ với công suất 125 kW đã được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai Bên cạnh đó, dự án phát điện lai giữa pin mặt trời và động cơ gió với công suất 9 kW cũng đã được triển khai tại làng Kongu 2, huyện Đăk Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng (EVN) thực hiện, nhằm cung cấp điện cho các khu vực đồng bào dân tộc thiểu số.
Dựa trên thành công của dự án trước, Viện Năng lượng (EVN) và Trung tâm Năng lượng mới thuộc trường đại học Bách khoa Hà Nội đang tiếp tục triển khai ứng dụng giàn pin mặt trời Mục tiêu là cung cấp điện cho các hộ gia đình và các trạm biên phòng trên đảo Cô.
Tô (Quảng Ninh) đã triển khai Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn, với việc hoàn thành vào tháng 11/2002.
Năng lượng mặt trời không chỉ được sử dụng để chiếu sáng mà còn có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực nhiệt và đun nấu Từ năm 2000 đến 2005, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng mới (Đại học Đà Nẵng) đã hợp tác với tổ chức phục vụ năng lượng mặt trời triển khai Dự án "Bếp năng lượng mặt trời" cho các hộ dân tại làng Bình Kỳ 2, phường Hòa Quý, quận Ngũ Hành Sơn, Đà Nẵng Ngoài ra, trung tâm cũng nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời để đun nước nóng, đưa sản phẩm bình đun nước nóng vào sử dụng tại một số tỉnh như Hải Phòng, Quảng Ninh, Nam Định, Thanh Hóa và Sơn La.
Những ví dụ cụ thể về hệ thống năng lượng mặt trời, các hệ thống lưới điện mặt trời 1 Giới thiệu
1.6.1 Giới thiệu : Là hệ thống điện mặt trời hòa lưới có dự trữ đầu tiên tại TP Hải
Phòng đƣợc lắp đặt tại Biệt Thự Gia đình Bác Sửu, Núi Đèo, Thủy Nguyên Hải phòng
Hiện nay, việc sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm đang được xã hội quan tâm Gia đình Bác Sửu đã yêu cầu các kiến trúc sư thiết kế ngôi nhà hài hòa với thiên nhiên, với việc lắp đặt hệ thống pin năng lượng mặt trời cho khu biệt thự.
Tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên và gió trời
Sử dụng vật liệu TKNL nhƣ gạch không nung, kính cách nhiệt
Gia đình Bác Sửu đã lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lưới và máy nước nóng năng lượng mặt trời với sự tư vấn của các kỹ sư Công ty SYSTECH Eco Điều này giúp tận dụng bức xạ mặt trời để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng và nước nóng, đồng thời giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn điện không ổn định hiện nay.
Bảng 1.3: Thông số kĩ thuật của hệ thống nối lưới có dự trữ 3060w:
STT Thiết bị Đơn vị Số lƣợng
1 Tấm pin mặt trời 170W Tấm 18
3 Bộ Solar controllar charger Bộ 3
4 Bộ Inverter 5KVA 48VDC/220VAC Bộ 1
6 Ac quy kín khí 180Ah/12V Cái 8
1.6.1.1 Một số hình ảnh lắp đặt hệ thống dàn pin mặt trời
Hình 1.3: Toàn cảnh Biệt thự gia đình Bác Sửu chƣa lắp đặt hệ thống pin mặt trời và máy nước nóng NLMT
Hình 1.4: Khung dàn tấm pin đƣợc hàn cố định trên mái
Hình 1.5: Lắp đặt dàn pin số 1
Hình 1.6: Lắp đặt dàn pin số 2
Hình 1.7: Lắp đặt dàn pin số 3
Hình 1.8: Hoàn thành lắp đặt 3 dàn pin mặt trời
1.6.1.2 Cây cầu ứng dụng năng lượng mặt trời lớn nhất toàn cầu
Chính phủ Anh đã khởi công xây dựng cầu năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, dự kiến cung cấp khoảng 900.000 kWh mỗi năm.
Có khoảng hơn 6.000m2 tấm panô quang điện sẽ đƣợc lắp đặt trên cây cầu bắc qua sông Thames
Theo kế hoạch, mạng lưới đường ray sẽ sử dụng khoảng 50% năng lượng từ năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, giúp giảm khoảng 511 tấn khí thải CO2 mỗi năm Tổng kinh phí xây dựng dự án ước tính khoảng 7,3 triệu bảng Anh.
Hình 1.9: Các công nhân đang lắp ráp các tấm pin mặt trời lên giá đỡ
Hình 1.10: Cây cầu sau khi đã lặp đặt hệ thống các tấm pin năng lƣợng mặt trời
Hình 1.11: Các tấm pin đã đƣợc lắp ráp
Bảng 1.4: Bảng đặc tính của cây cầu
Maximum Power Voltage(Vmp) 17.1 Volt
Maximum Power Current(Imp) 3.22 Ampere
Open circuit Voltage(Voc) 21.0 Volt
Short circuit Current(lsc) 3.76 Ampere
Nominal operating cell temperature (NOCT) 47℃±2℃ ℃
Length(mm) 715mm Width(mm) 680mm Depth(mm) 40mm
Installation Dimensions Length(mm) 643mm
Frame structure(Material,Comers) Aluminium
Junction Box made in china
Bảng 1.6: Bảng tiêu chuẩn kiểm tra điều kiện ánh sáng
Bảng 1.7: Các thông số cơ bản về cây cầu
Dielectric Isolation Voltage 1000 VDC max 1000V
Maximum Wind Resistance 60m/s N/m2 or max Km/h
Maximum Hail diameter @80Km/h 25mm@80km/h
CẤU TRÚC CHUNG MỘT LƯỚI ĐIỆN MẶT TRỜI
Giới thiệu
Lưới điện năng lượng mặt trời là giải pháp hiệu quả cho các hộ gia đình, giúp tiết kiệm chi phí điện năng Bài viết này sẽ trình bày cơ sở thiết kế và tính toán cho mô hình lưới điện mặt trời với công suất 3060 W/h, phù hợp cho nhu cầu sử dụng của một gia đình Việc xây dựng mô hình này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống năng lƣợng mặt trời
Phân tích các thành phần của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời, hay còn gọi là solar, hoạt động bằng cách chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua các lớp bán dẫn Việc hấp thụ ánh sáng mặt trời giúp tạo ra nguồn điện sạch và bền vững, góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Thiết bị tiêu thụ điện solar
Các thông số của tấm pin:
Công suất lớn nhất: 170 W Điện áp hở mạch: 44.2 V
Dòng điên ngắn mạch: 5.14 A Điện áp làm việc: 36.14 V
Hiệu suất chuyển đổi của tấm pin: 15.75%
Các tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời, dẫn đến điện áp đầu ra không ổn định Để khắc phục vấn đề này, cần có một bộ điều khiển để ổn định điện áp và điều chỉnh việc nạp năng lượng vào bình ắc quy thông qua các van bán dẫn Dưới đây là thông tin về bộ điều khiển năng lượng mặt trời.
Solar charge controller phải có điện thế vào phù hợp với điện thế của pin mặt trời và điện thế ra tương ứng với điện thế của bình ắc quy Việc chọn loại solar charge controller phù hợp với hệ thống năng lượng mặt trời là rất quan trọng, đặc biệt đối với các hệ thống pin mặt trời lớn, nơi được thiết kế thành nhiều dãy song song, mỗi dãy được quản lý bởi một solar charge controller riêng Công suất của solar charge controller cần đủ lớn để tiếp nhận điện năng từ pin mặt trời (PV) và cung cấp đủ công suất để nạp cho hệ thống bình ắc quy.
Model uC1220DC3St Điện áp Solar vào (VS): : V- thì ngõ ra của op amp ở mức +Vcc
Khi điện áp V+ < V- thì ngõ ra của op amp ở mức Gnd hoặc –Vcc
3.3.2.3 Khuyếch đại đảo NOR CD 4001
Hình 3.4: NOR CD4001 NOR CD4001 có tác dụng đảo so sánh và đảo tín hiệu đầu ra
Hình 3.5: Sơ đồ chân của CD4001
Nguyên lý hoạt động của mạch logic này là khi tín hiệu đầu vào tại cả hai chân 1 và 2 ở mức logic thấp, tín hiệu đầu ra tại chân 3 sẽ ở mức logic cao Ngược lại, khi tín hiệu đầu vào tại chân 1 hoặc chân 2 ở mức logic cao, tín hiệu đầu ra sẽ thay đổi.
Một số thông số quan trọng của IRF 540
Dòng làm việc mã từ 23A33A tuy vào nhiệt độ môi trường cao hay thấp Kích dẫn bằng điện áp +- 20V
Thời gian trễ: turn on (11ns) và turm off (39ns)
Tần số chuyển mạch cực đại 1Mhz
Hình 3.8: sơ đồ chân của ATmega8 arameter Name Value
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của AVR ATmega8
Tính toán kinh tế cho hệ thống lưới điên năng lượng mặt trời của một hộ dân với công suất 3060 W/h
Để thực hiện tính toán kinh tế cho hệ thống lưới điện năng lượng, chúng ta xem xét một hộ gia đình với các thiết bị tiêu thụ điện cơ bản Hộ gia đình này bao gồm những thiết bị như:
STT Tên thiết bị Số lƣợng Đơn vị (W/h)
Bảng 3.2: Bảng thống kê thiết bị tiêu thụ điện của mộ hộ gia đình
Theo bảng dữ liệu, công suất tiêu thụ trung bình hàng ngày của một hộ gia đình là 24.280 W/h, dẫn đến tổng tiêu thụ điện hàng tháng là 724 kWh Để tính toán số tiền mà hộ gia đình này phải trả trong tháng, cần tham khảo bảng giá điện của nhà nước trong năm hiện hành.
2011 mới tính số tiền hộ này phải trả
Bảng 3.3: Bảng giá điện năm 2011
Ở mức điện là 724 (số điện) thì giá tiền của hộ dân này sẽ đƣợc chia làm 6 cấp giá khác nhau:
8 Tổng công suất trong 1 ngày 24.280
9 Tổng công suất trong 1 tháng 728.400
STT Mức sử dụng của một hộ trong tháng Giá bán điện (đồng/kWh)
1 Cho 50 kWh (hộ nghèo và thu nhập thấp) 993
7 Cho kWh từ 401 trở lên 2.060
Cấp thứ nhất cho kWh từ 0-100 Ở cấp này thì giá bán điện sẽ là 1.242 vnđ Cấp thứ hai cho kWh từ 101-150 Ở cấp này thì giá điện sẽ là 1.369 vnđ
Cấp thứ ba cho kWh từ 151-200 Ở cấp này thì giá điện sẽ là 1.734 vnđ
Cấp thứ tƣ cho kWh từ 201-300 Ở cấp này thì giá điện sẽ là 1.877 vnđ
Cấp thứ năm cho kWh từ 301-400 Ở cấp này thì giá điện sẽ là 2.008 vnđ
Cấp thứ sáu cho kWh từ 401 trở lên có giá điện là 2.060 VNĐ Do đó, số tiền hộ dân phải trả trong một tháng, chưa tính đến giá trị gia tăng (GTGT), sẽ được tính dựa trên mức tiêu thụ điện năng ở cấp này.
Nhƣ vậy trên thực tế số tiền nhà này phải trả là:
Vậy sau 25 năm với phụ tải không đổi thì tổng số tiền nhà này phải trả sẽ là:
A 3 =A 2 x số năm x số tháng trong năm=1,477,883 x 25 x 12D3,364,900 (vnđ)
Sau 25 năm với mức tiêu thụ điện không thay đổi và bảng giá điện cố định, hộ dân này sẽ phải chi trả tổng cộng 443,364,900 VNĐ nếu sử dụng điện lưới.
Hộ gia đình này tiêu thụ trung bình 24,280 Wh/ngày Do nguồn năng lượng mặt trời phụ thuộc vào thời tiết và thời gian, cần sử dụng 18 tấm pin năng lượng mặt trời, mỗi tấm có công suất 170W/h, để đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho các thiết bị Tổng công suất của dàn pin này là 5,060W/h Ở Hải Phòng, các tấm pin có thể hấp thụ ánh sáng hiệu quả trong khoảng 9 tiếng mỗi ngày, giúp tạo ra công suất tối ưu cho nhu cầu sử dụng.
Ta coi tổn hao toàn hệ thống là 10% nhƣ vậy công suất có thể sử dụng của dàn pin này là:
Dàn pin này có công suất P4 lớn hơn P1, cho thấy nó đủ khả năng cung cấp năng lượng cho tất cả các phụ tải trong hộ gia đình trong một ngày Với công suất tương đương như dàn pin đã được giới thiệu trước đó, chúng ta sẽ chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống này.
Bảng 3.4: Thống kê thiết bị và giá thành để lắp ráp cho hệ thống lưới điện mặt trời
Vậy tổng chi phí cho cả hệ thống năng lƣợng mặt trời trong 25 năm có tính đến bảo dƣỡng sửa chữa và thay mới là
So sánh A3 và A4 cho thấy việc sử dụng lưới điện năng lượng mặt trời hiện tại có thể gây thiệt hại về kinh tế Tuy nhiên, trong tương lai, việc này sẽ mang lại lợi ích hơn do giá điện ngày càng tăng và giá pin năng lượng mặt trời có xu hướng giảm.
Stt tên thiết bị đơn vị số lƣợng đơn giá
1 tấm pin mặt trời 170w tấm 18 7,140 128,520 128,520
3 Bộ Solar controllar charger bộ 3 890 2,670 8,010
5 Ac quy kín khí chuyên dụng 180Ah/12V cái 8 2,986 23,888 191,104
THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ MÔ HÌNH THỰC
Giới thiệu mô hình thực
Mô hình thực boa gồm: 1 tấm pin năng lƣợng mặt trời công suất 55W/h 1 bộ solar controller
1 bình ac quy 12VDC/30Ah
4.1.1 Giới thiệu về tấm pin năng lượng mặt tời công suất 55W/h
Hình 4.1: Tấm pin mặt trời có công suất là 55 W/h
Hail diameter@80km/h Up to 25mm
Continues Wind pressure Up to 130 km/h
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của tấm pin năng lƣợng mặt trời công suất 55 W/h
Mạch điều khiển nạp hoạt động dựa trên nguyên lý đóng mở van bán dẫn Vào lúc 7h30, pin năng lượng mặt trời bắt đầu hấp thụ ánh sáng và đạt giá trị 13.
Mạch điều khiển sẽ nhận tín hiệu và sử dụng bộ khuyếch đại thuật toán để so sánh điện áp với điện áp trong bình ắc quy Nếu điện áp trong bình ắc quy thấp hơn điện áp của pin năng lượng, mạch điều khiển sẽ kích hoạt một xung mở cho van bán dẫn Khi điện áp đạt 18 V, mạch điều khiển sẽ điều chỉnh chu kỳ đóng mở của van bán dẫn để duy trì mức điện áp ổn định 15 V cho bình ắc quy.
Mạch điều khiển hoạt động khi điện áp đạt 21 V Khi không còn ánh nắng mặt trời, điện áp của tấm pin năng lượng sẽ giảm dần Lúc này, mạch điều khiển sẽ so sánh điện áp của pin năng lượng với điện áp trong bình ắc quy Nếu điện áp của pin thấp hơn điện áp trong bình, mạch sẽ đóng van bán dẫn và ngắt kết nối tấm pin năng lượng khỏi mạch nạp, kết thúc quá trình làm việc của mạch điều khiển nạp.
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý bộ solar controller
Trong mạch trên có sử dụng 1 IC khuyếch đại thuật toán LM324, 1 NOR CD4001, 1 mosfeet IRF 3205
Nguyên lý mạch này hoạt động nhƣ sau:
4.1.3 Bộ inverter PWM Để ổn định điện áp và bảo vệ các thiết bị điện khỏi các song đa hài bậc cao khi sử dụng bộ inverter Trong đồ án này em xin giới thiệu một bộ inverter sử dụng bổ xử lý ATmega8 để điểu khiển và thay đổi độ rộng của xung kích mở cho 2 mosfeet IRF
540 thông qua đó tạo ra điện áp xoay chiều và có tần số 50hz Sau đó nguồn điện xoay
Chiều này, 42 sẽ được cấp vào 3 đầu vào của máy biến áp 9V/220V với dòng định mức 3A Đầu ra của máy biến áp cung cấp điện áp 220V xoay chiều và có công suất 30W Dưới đây là sơ đồ nguyên lý sử dụng AVR ATmega8.
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý inverter sử dung ATmega8
Mạch này hoạt động dựa trên nguyên lý điều biên độ rộng xung PWM, sử dụng chip ATmega8 đã được lập trình sẵn để tạo tín hiệu mở xung cho hai bóng mosfet IRF 540 Hai bóng này đóng mở theo chu kỳ đã lập trình, tạo ra dạng sóng gần sóng sin với chu kỳ 50Hz Sau đó, máy biến áp 220V 3A sẽ nâng tín hiệu lên 220V xoay chiều với tần số 50Hz Nhờ vào bộ vi điều khiển AVR, người dùng có thể lập trình để thay đổi biên độ và độ rộng của xung điều khiển, giúp tín hiệu đầu ra bám sát chuẩn sóng sin Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
Ta có thể tạo ra một bộ inverter gần sin chuẩn nhằm để cung cấp cho các tải có trở kháng lớn
PWMB Value: IRF Q 3 Value: IRF Q 4
PWMB Value: Diode D12 4.7k R14 Value: pnp Q 5
Giảm thiểu tổn hao trên máy biến áp, cũng nhƣ cuộn dây
Có thể lập trình thay đổi để tạo ra các tần số khác nhau
Vi điều khiển có khả năng điều chỉnh chính xác với sai số thấp và độ ổn định tần số cao nhờ vào mạch dao động sử dụng thạch anh Tần số tín hiệu PWM có thể đạt tới vài MHz, mang lại hiệu suất vượt trội cho các ứng dụng.
Có thể cùng lúc tạo nhiều tín hiệu PWM
Ngoài việc sử dụng vi điều khiển cho các tác vụ chính, chúng ta còn có thể tận dụng các phần còn lại của nó để thực hiện nhiều chức năng bổ sung như giám sát, điều khiển và hiển thị thông tin.
Có công suất làm việc lớn và tổn hao ít
Nhược điểm của phương pháp này là:
Sơ đồ khối của bộ inverter
Hình 4.4: Sơ đồ khối của bộ inverter này là:
Bộ inverter hoạt động dựa trên nguyên lý băm xung và điều chỉnh độ rộng xung PWM, với tần số 50Hz được chia thành các xung 2 ms Bộ vi điều khiển khởi tạo xung kích mở cho IRF540 A trong 0.1 ms, sau đó ngắt xung và khóa IRF540 A trong 0.1 ms Tiếp theo, bộ vi điều khiển kích xung mở cho IRF540 A trong 0.6 ms Quá trình này lặp lại, với IRF540 A mở trong 0.6 ms, đóng trong 0.1 ms và mở lại trong 0.1 ms Ở nửa chu kỳ sau, bộ vi điều khiển cũng cấp xung mở cho IRF540 B tương tự như chu kỳ trước Nhờ vào các khoảng đóng cắt và thay đổi độ rộng xung, inverter tạo ra dạng sóng bậc thang theo hình sin.
Out put comparison and adjustment control ideal output reference
Hình 4.5: Miêu tả nguyên lý tạo xung
4.1.4 Chương trình Code inverter dung AVR Atmega8
// Timer 0 overflow interrupt service routine interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void)
// Place your code here if(t>=0 && t=1 && t=2 && t (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT)) input_index=0;
ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff))+input_index; // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10);
// Declare your global variables here
// Declare your local variables here
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=In
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=T
// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
// Mode: Ph correct PWM top=0x00FF
// Input Capture on Falling Edge
// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x01;
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80;
// ADC Voltage Reference: AREF pin
ADMUX=FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); ADCSRA=0xCC;
#asm("sei") delay_ms(10); while (1)
Một số hình ảnh về mô hình thực
Mô hình được đo bằng Oscilloscope để khảo sát tín hiệu ra Chúng tôi tiến hành đo tín hiệu ở ba điểm khác nhau, bắt đầu bằng việc đặt que đo sau tấm pin năng lượng mặt trời.
Hình 4.6: Điện áp ra của pin năng lƣợng mặt trời Mục địch là kiểm tra điện áp ra ở tấm pin năng lƣợng mặt trời
50 Điểm thứ 2: Đo sau bộ solar controller
Hình 4.7: điện áp nạp vào bình ac quy
Mục đích là kiểm tra tín hiệu ra của bộ solar controller, từ đó suy ra điện áp nạp vào cho bình ac quy
51 Điểm đo thứ 3: Đo đầu ra của inverter khi có tải
Hình 4.8: Điện áp ra của bộ inverter
Mục đích của bài viết là kiểm tra tín hiệu điện áp đầu ra của bộ inverter và hệ thống lưới điện năng lượng mặt trời, nhằm đảm bảo hiệu suất hoạt động và độ tin cậy của hệ thống năng lượng.
Hình 4.9: Mô hình lưới điện năng lượng mặt trời